可适径调整管道清淤机器人结构设计与运动分析.pdf
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1、第 30 卷第 3 期2023 年 6 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.3Jun.2023可适径调整管道清淤机器人结构设计与运动分析李岳1,邓云蛟1,敖然1,侯雨雷1,曾达幸2(1.燕山大学 机械工程学院,河北 秦皇岛 066004;2.东莞理工学院 机械工程学院,广东 东莞 523808)摘 要:为了实现布局复杂的城市地下管道的清淤,提出了一种基于并联机构的履带式管道清淤机器人。采用折展调姿行走装置以减小机器人体积,采用基于3-US并联机构的工作装置以增大机器人的工作空间;编写了机器人工作空间算法,通过MATLA
2、B软件仿真得到了行走装置和工作装置的工作范围及运动轨迹;采用ADAMS软件模拟了机器人运动状态,并对其驱动特性参数进行分析,得到了行走装置在不同运动状态下驱动力和驱动力矩的变化规律,以及工作装置在不同方向极限位置转换时的驱动力矩。仿真研究表明了行走装置折展调姿的稳定性及工作装置在各个清淤极限位置间转换的灵活性。研究结果对可适径调整管道清淤机器人的研制与应用具有指导意义。关键词:管道机器人;可适径调整;工作空间;并联机构中图分类号:TH113.2 文献标志码:A 文章编号:1006-754X(2023)03-0353-09Structure design and motion analysis
3、of pipeline dredging robot with diameter adjustmentLI Yue1,DENG Yunjiao1,AO Ran1,HOU Yulei1,ZENG Daxing2(1.School of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.School of Mechanical Engineering,Dongguan Institute of Technology,Dongguan 523808,China)Abstract:In order to achie
4、ve the dredging of urban underground pipelines with complex layout,a tracked pipeline dredging robot based on parallel mechanism was proposed.Adopting a folding and posture adjustment walking device to reduce the robots volume,and using a working device based 3-US parallel mechanism to increase the
5、robots workspace;a robot workspace algorithm was written,and the working range and motion trajectory of the walking device and working device were obtained by simulation through MATLAB software;the motion states of the robot were simulated by ADAMS software,and its driving characteristic parameters
6、were analyzed.The variation rules of driving force and driving torque of the walking device under different motion states were obtained,as well as the driving torque of the working device when transitioning between extreme positions in different directions.Simulation study showed the stability of th
7、e walking device during folding and posture adjustment,as well as the flexibility of the working device in transitioning between various dredging limit positions.The research results have guiding significance for the development and application of pipeline dredging robot with diameter adjustment.Key
8、 words:pipeline robot;diameter adjustment;workspace;parallel mechanismdoi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.033收稿日期:20220902 修订日期:20221017本刊网址在线期刊:http:/ 岳(1998),男,河北承德人,博士生,从事智能机器人研究,E-mail:ysu_,https:/orcid.org/0000-0002-8180-4830通信联系人:侯雨雷(1980),男,河北定州人,教授,博士生导师,博士,从事机器人技术、复杂机电系统等研究,E-mail:工程设计学报第
9、30 卷 随着城市规模的扩大,城市道路不断建设,地下排水管道的布局则愈发复杂,且由于管道尺寸多样,管道堵塞情况时有发生,因此及时清理排水管道内的堵塞物尤为重要。传统的清淤方法有绞车清淤、高压水射流清淤1及通沟机清淤等。绞车清淤时,须封闭特定路段的道路,会影响人们正常的生产生活;高压水射流清淤时,高压水冲击管壁,易造成管道损坏,且水资源浪费严重;通沟机则难以适应日渐多变的管道直径。管道机器人具有体积小、重量轻、进出管道灵活、驱动方式简单且易于适应不同的管道环境等特点2-4,目前主要有轮式5、蠕动式6、履带式7-8、脚式9和螺旋式10等几种形式。Zhang等11提出了一种由行走机构和相机云台组成的
10、轮式管道机器人,其具有良好的移动性能,并能自动纠正姿态以保持平衡。Nian等12设计了一种具有管径、曲线适应能力和垂直爬升能力的管道机器人,提出了一种多级减速驱动、可伸缩式三轮爬坡机构。加拿大Inuktun Services公司开发了Versatrax系列管道机器人,用于管道内部检测,其中的一款采用履带作为行走机构,其两侧的履带以一定的夹角布置,通过角度调节可以改变管道机器人的周身尺寸,以适应不同的管径,但不能根据管径的变化进行实时调整13。Alireza等14研制的轮式管道机器人KANTARO通过调整轮系处4根电推杆的伸缩量来改变轮系偏转角度,来适应不同的管径,但其工作空间相对较小。刘大伟等
11、15提出了一种由非圆齿轮和双轴偏心块组成的非对称惯性驱动管道机器人,研究了机器人在管道内的速度变化规律。张月等9设计了一种风电叶片管道内窥履带机器人,该机器人主要由履带移动平台和四自由度关节构成,可实现抬头、转弯、爬坡等功能。梁亮等16提出了一种内螺旋管道机器人,并优化了其在管道内的轴向推力。地下排水管道的环境复杂、恶劣、多变,需要管道机器人来清除石块、淤泥等堵塞物。现有的管道机器人多用于管道内部的探伤、检测,其清淤能力还较欠缺。本文针对管道清淤机器人对不同管径的适应要求,提出了一种可适径调整管道清淤机器人方案。设计了基于折展机构的管道清淤机器人的行走装置和并联式工作装置,研究了行走装置末端的
12、运动范围、运动轨迹和工作装置的工作空间,分析了行走装置和工作装置在机器人不同运动状态下驱动力与驱动力矩的变化规律,以期为管道清淤机器人实体样机的研制奠定基础。1 管道清淤机器人的结构及工作原理 1.1管道清淤机器人结构采用模块化设计的思路,管道清淤机器人分为车体、行走装置、工作装置和辅助导向装置等四部分17,如图1所示。行走装置主要由履带和折展机构18组成。相较于轮式结构,履带式结构具有更好的越障能力,其重量大,重心低,易于保护,可以有效保证机器人在运动过程中的稳定性。在非工作状态下履带可以收藏于车体内,有利于减小机器人的体积。工作装置由驱动电机、3-US并联机构19-20和清淤机头组成。其安
13、装于车体的中心部位,可沿车体中心轴线伸缩,工作时可完成俯仰、平移等运动。辅助导向装置由伺服电缸和导向轮组成,如图2所示。其安装于机器人的底部,主要用于机器人从竖直姿态向水平姿态的转换。1.2管道清淤机器人工作原理管道清淤机器人的状态分为非工作状态、转换状态和工作状态,如图3所示。图1管道清淤机器人的结构Fig.1Structure of pipeline dredging robot图2管道清淤机器人辅助导向装置的结构Fig.2Structure of auxiliary guidance device for pipeline dredging robot图3管道清淤机器人的状态Fig.3S
14、tates of pipeline dredging robot 354第 3 期李岳,等:可适径调整管道清淤机器人结构设计与运动分析普通排污管道检查井口的直径为700 mm。机器人从井道竖直下放时处于非工作状态,下放过程中机器人的宽度应不大于650 mm,此时其行走装置、工作装置折叠于车体内部,辅助导向装置不工作,如图4所示。机器人由竖直姿态转换至水平姿态的过程中,即机器人在转换状态下,其行走装置、工作装置不工作,辅助导向装置的导向轮在伺服电缸的驱动下向下伸展,首先接触水平管道底部,对机器人整机起导向作用,实现整机向前运动,同时支撑清淤机头向上转动以免直接触碰管道内壁而造成管道损坏。机器人从
15、竖直井道过渡到水平管道的过程中,其长度须小于1 500 mm。机器人到达水平管道底部后即进入工作状态。此时行走装置移动至车体外部,履带在折展机构的驱动下与管道内壁接触;工作装置平移伸出,同时辅助导向装置回收;工作装置运动至车体前端,清淤机头在3-US并联机构的驱动下到达指定位置,开始绞碎、清理管道内部的堵塞物。2 行走装置运动与驱动分析 2.1行走装置结构管道清淤机器人行走装置的结构如图5所示。其主要由伺服电机、减速器、动臂、动臂驱动电推杆、连杆、连杆驱动电推杆和履带组成。竖直井道下方横向井道的直径为1 5002 000 mm,通过控制伺服电机的旋转和电推杆的伸缩,调整履带在车体内外的位置和角
16、度,使得车体能够顺畅地在竖直井道下放及在水平管道内行走。2.2行走装置运动分析对应于清淤机器人不同的状态,行走装置的运动有所不同,包括折展运动、管道贴合运动和位姿调整运动。以伺服电机输出轴法向中心即行走装置在车体中的安装点Ox为原点,分别以伺服电机输出轴法向平面内的水平方向、竖直方向为X向和Y向,建立机器人坐标系Ox-XY,对行走装置的运动进行分析,如图6所示。图中:Lao、Loc、Lbc、Lbd、Lcd、Lde、Lef、Lbe分别为AO、OC、BC、BD、CD、DE、EF、BE的长度,为已知量;转角以及AB、BC的长度Lab和Lbc为变量。在坐标系Ox-XY下,电推杆支点A及连杆支点C的位置
17、向量分别为:=0Laosin,C=LoccosLocsin由BC与AB之间的几何关系,可得:()xB2+()yB-Lao2=L2ab()xB-Loc cos2+()yB-Loc sin2=L2oc(1)求解式(1),可得B点坐标(xB,yB)。同理,可得D、E、F点的坐标。对式(1)求导,可得B点的速度分量xB和yB。同理,可得D、E、F点的速度分量。以车体截面圆心作为清淤机器人原点Oc,建立行走装置坐标系Oc-XY,对清淤机器人行走装置进行适径调整运动分析,如图7所示。图中:Og为管道截面圆心;R为管道半径;h1为Oc与Ox之间的水平距离;h2为Oc与Ox之间的垂直距离;K为行走装置与履带的
18、相切点;wv为履带与水平面的夹角。图4竖直下放时的管道清淤机器人Fig.4Pipeline dredging robot during vertical lowering图5行走装置结构Fig.5Structure of walking device图6行走装置运动分析Fig.6Motion analysis of walking device 355工程设计学报第 30 卷 当清淤机器人到达管道底部时,Oc位于Og的正下方,根据行走装置末端的运动关系,可得K点在Ox-XY下的位置向量为:K=(xKyK)T;根据坐标转换关系,K 点在 Oc-XY 下的位置向量为:K=(xK+h1yK+h2)T
19、,以 K 点 为 圆 心,R 为 半 径,可得:(x-xK-h1)2+(y-yK-h2)2=R2当x=0时,可得 Og点的位置向量为:Og=(xOyO)T。进一步地,可得到向量KOg及EF为:KOg=(x xO-xK-h1yO-yK-h2)TEF=(xF-xEyF-yE)T通过改变转角、Lab、Lbc和R的大小来改变KOg和EF。当KOg=-EF时,即为机器人行走装置与管道贴合。将上述数学关系进行编程,依据行走装置的运动方式,施加驱动电推杆一定的伸缩量,利用MATLAB软件求得行走装置末端的运动范围,如图8所示。行走装置末端的运动轨迹如图9所示。图中轨迹1为清淤机器人由非工作状态转换为工作状态
20、的过程中行走装置末端的运动轨迹,轨迹2为清淤机器人适径调整运动过程中行走装置末端的运动轨迹。2.3行走装置驱动分析对应于清淤机器人的不同状态,行走装置在3种基本运动方式之间转换,同时其驱动参数和末端的运动学参数也在不断地改变。利用ADAMS软件对清淤机器人行走装置的运动进行仿真,如图10所示。图10(a)所示为行走装置处于收藏状态。折展机构的动臂和连杆向内折叠于车体内部,此时伺服电机 向 内 旋 转 44.35,动 臂 驱 动 电 推 杆 外 伸68.22 mm,连杆驱动电推杆外伸4.98 mm,履带复位至车体内部两侧,机器人处于非工作状态。行走装置的折展运动是较为复杂的运动。行走装置进行折展
21、运动时,伺服电机向外旋转121.12,动臂驱动电推杆内缩69.52 mm,连杆驱动电推杆外伸57.65 mm。固定于车体底部前后左右4个电机的驱动力矩变化曲线如图11所示;控制前后左右4个动臂的4个动臂电缸的驱动力变化曲线如图12所示;每个动臂有2支连杆,则控制动臂连杆的8个连杆电缸的驱动力变化曲线如图13所示。由图11可知,行走装置运动1.51 s后,4个电机的驱动力矩都达到最大,最大值为140.75 Nm。图7行走装置适径调整运动分析Fig.7Analysis of the motion of walking device for diameter adjustment图8行走装置末端的运
22、动范围Fig.8Motion range of the end of walking device图9行走装置末端的运动轨迹Fig.9Motion trajectory of the end of walking device图10行走装置运动仿真Fig.10Motion simulation of walking device 356第 3 期李岳,等:可适径调整管道清淤机器人结构设计与运动分析由图12可知,行走装置运动1.68 s后,动臂电缸驱动力的最大值为2 272.32 N。由图13可知,行走装置运动 4.00 s 后,连杆电缸驱动力的最大值为5 739.73 N。此外,驱动力和驱动力
23、矩基本都随时间而平缓变化。通过ADAMS仿真可知,行走装置电机的最大瞬时驱动力矩Md=140.75 Nm,设定动臂旋转角速度1=0.523 rad/s,可得电机所需功率为:P1=1 Md=73.61 W设定电机减速器传动效率1=0.95,减速比i1=150,安全系数取为1.5,则考虑安全系数及传动效率下电机所需功率为:P2=P1/1 1.5=116.23 W电机所需最大驱动力矩为:M1=Md/(i1 1)=0.99 Nm综上,行走装置的驱动电机选用伺服电机,型号为KRS 110。其功率为1.8 kW时,驱动力矩可达6 Nm,转速为3 000 r/min。3 清淤运动与驱动关系分析 清淤机器人工
24、作装置和折展机构在车体内的分布如图14所示。3.1工作装置末端工作空间分析建立3-US并联机构整体和分支坐标系,如图15所示。该并联机构可作三自由度运动。以动平台中心为坐标原点o,垂直于动平台的方向为z向,平行于动平台且过原点指向动平台铰点a的方向为y向,平行于动平台且过原点垂直于y向的方向为x向,建立动坐标系o-xyz;以静平台中心为坐标原点O,垂直于静平台的方向为ZS向,平行于静平台且过原点指向静平台铰点Ah的方向为YS向,平行于静平台且过原点垂直于YS向的方向为XS向,建立静坐标系 O-XSYSZS;以 U 副与静平台的连接点为原点OR,OR与球副球心连线方向为ZR向,U副平行于静平台旋
25、转轴的方向为YR向,U副平行于静平台且垂直于旋转轴的方向为XR向,在分支连杆上建立分支坐标系OR-XRYRZR。采用欧拉角表达,即动坐标系的原点与静坐标系的原点重合,然后动坐标系绕静坐标系的XS轴旋图11行走装置进行折展运动时电机驱动力矩变化曲线Fig.11Variation curve of motor driving torque during folding motion of walking device图12行走装置进行折展运动时动臂电缸驱动力变化曲线Fig.12Variation curve of electric cylinder driving force of swing a
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